Photovoltaik Applikationen

Autor: Prof. Oliver Mayer, General Electic Global Research (GE GR) (Stand: 2017) Die PV Zelle für eine technische Anwendung wurde vor erst 60 Jahren entwickelt und hat seitdem eine rasante Entwicklung genommen. Mit der Photovoltaik wurde ein neues Wirkprinzip in die Energieerzeugung eingeführt.

Statt wie bei konventionellen Kraftwerken über mehrere Stufen (über Wärme ->Druck & Temperatur ->mechanische Rotation -> Elektron) oder bei Wind (über Solar Photonen -> Wärme -> Druckdifferent in der Atmosphäre -> mechanische Rotation -> Elektron), kann eine PV Zelle ein Photon direkt in einem Schritt in ein Elektron umwandeln. Weiterhin ist die PV Technologie in der Größe frei linear skalierbar vom Mikro- hin zu Gigawatt. Diese Eigenschaften sorgen für eine technologische Sonderstellung der PV bei der Energieversorgung. Gestartet hat die Anwendung der PV in der Raumfahrt und wurde dann über netzferne Applikationen wie Telekommunikationsverstärker weiterentwickelt. Der große kommerzielle Durchbruch gelang allerdings erst mit der netzgekoppelten Photovoltaik. Allein in Deutschland wurden innerhalb der letzten ca. 25 Jahre 41 GW (Ende 2016) installiert und an das Stromnetz angeschlossen. Dabei hat sich der Preis pro installiertem Watt peak (Wp) für schlüsselfertige Anlagen im Bereich von 10 kWp – 100 kWp von 5,00 € auf 1,25 € (2016) reduziert; somit kommt man heute bei den Kosten in den kWh-Bereich von konventionellen Energieerzeugungssystemen. Allerdings hat die PV einen Freiheitsgrad mehr, indem die Energieerzeugung vom Wetter gesteuert wird und damit keine Brennstoffkosten aufweist. Gerade diese Tatsache führt zur schwierigen Integration der PV (und auch der Windkraft) in das bestehende Marktmodell. Dieses basiert auf der (früher gültigen) Voraussetzung, dass Kraftwerke Brennstoffkosten haben.

Gestartet ist die PV Technologie mit mono- und polykristalliner Zellentechnologie. Durch die Einführung der Einspeisevergütung, die einen wirtschaftlichen Betrieb von PV Anlagen möglich machte, wurde ein Boom für den Bau von netzeinspeisenden PV Anlagen ausgelöst. Gestartet wurde mit Kilowatt-Aufdachanlagen, die dann immer größer und mit Freiflächenanlagen in Megawatt-Größe ergänzt wurden. Die Aufdachanlagen werden üblicherweise an das Niederspannungsnetz angeschlossen, im Gegensatz zu Freiflächenanlagen und auch Windkraftanlagen.

Kontinuierliche Verbesserung

Mit dem Boom der Photovoltaik wurde auch die Technologie kontinuierlich verbessert. Die Dicke der Wafer wurden kontinuierlich reduziert und damit Material und Kosten gespart. Die Wirkungsgrade wurde verbessert was eine höhere Leistungsdichte bedeutet und neue Dünnschichttechnologien (wie Kupfer-Indium-Diselenid (CIGS) und Cadmium Tellurid (CdTE)) wurden entwickelt. Alles zusammen hat zu einem drastischen Rückgang der Stromkosten pro Kilowatt-Stunde geführt. Neben den Modulen, die früher über 60% der Systemkosten ausgemacht haben, wurden auch die Montagesysteme und Wechselrichter kontinuierlich verbessert. Der Wirkungsgrad der Elektronik ist von durchschnittlich 90% auf über 97% gestiegen. Dies hängt auch damit zusammen, dass die Anlagenspannung heute den Gesamtbereich der Niederspannung bis 1.500 VDC (Volt Gleichstrom) ausschöpfen kann. Die Geräte wurden auch kompakter, robuster und langlebiger. Durch die industrielle Produktion konnte nicht nur eine erhebliche Kostendeckung erreicht werden, sondern es wurde auch die Qualität erhöht. Effekte wie Delaminierung und Vergilbung der PV Module hat man weitgehend im Griff. Die Funktionalität der Inverter hat ebenfalls kontinuierlich zugenommen: Vom reinen Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom hin zu optimiertem Maximum Power Point Tracking für den optimalen Betrieb der Solarmodule hin zu Überwachungs- und Monitoring-Funktionen mit Auswertung zur Kontrolle der Anlagenperformance.

Erfolg erzeugt neue Herausforderungen

Durch den Erfolg der regenerativen Energien, insbesondere PV und Wind hat sich auch die energiepolitische Richtung verschoben. Früher wurde die PV wegen der geringen Einspeiseleistung und –energie mehr als negative Last betrachtet. Es galt daher das Prinzip maximale Einspeisung, was immer an Solarenergie erzeugt wurde, fand seinen Weg ins Netz. Damit wurde auch der Mittagspeak in der Stromwirtschaft vermindert, denn die PV speist am meisten mittags ein. Mit stetig steigender PV Erzeugung war dies nicht mehr möglich. Um das Netz, bei dem es darum geht, zu jedem Zeitpunkt die Erzeugung und den Verbrauch im Gleichgewicht zu halten, nicht aufgrund zu hoher Einspeisung zusammenbrechen zu lassen, muss die konventionelle Kraftwerkeerzeugung reduziert werden, um die Fluktuationen durch Sonne und Wind zu kompensieren. Dies bedeutet gleichzeitig, dass die Geschäftsmodelle für die konventionelle Stromerzeugung nicht mehr rentabel sind. Es wird ein neues Marktdesign notwendig, das mit der steigenden Einspeisung regenerativer Energien Schritt hält, die keine Brennstoffkosten haben. Des Weiteren erfolgt eine Verschiebung der Einspeisepunkte auf der Landkarte Deutschlands: Weg vom Ruhrgebiet hin zum Norden (Wind) und zur dezentralen Stromgenerierung. Als Konsequenz daraus ergibt sich die Frage nach einem Netzausbau, um die Leistung dorthin zu transportieren, wo die Lastschwerpunkte sind und die Überlegung wie lokal erzeugter Strom auch lokal (z.B. im eigenen Haus) verwendet werden kann. Um dies technisch zu ermöglichen sind Speicher notwendig. Diese Technologie steht heute an der Stelle, an der die PV vor 20 Jahren stand, was Kosten, Effizienz, Verfügbarkeit, und Akzeptanz angeht. Daher ist die Eigenversorgung mit Strom in einem Industriestaat mit ausgebautem Stromnetz wie Deutschland heute noch teuer, aber Tendenzen sind unübersehbar, dass dies in Verbindung mit PV preiswerter wird.

Die PV ist eine Technologie, welche in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung durchgemacht und ungeahnte Wachstumsraten erzielt hat. Sie wird sich weiter optimieren und zu einer tragenden Säule der Stromversorgung in der Zukunft werden.